Déploiement 5G-NSA : A quel moment le logo 5G apparait sur mon téléphone

  1. Introduction et problématique

Le déploiement de la 5G-NSA option 3X sur la bande 3,5 GHz consiste à mettre en œuvre une double connectivité (DC – Dual Connectivity) entre la station de base 4G (eNB), appelée station de base maîtresse MNB, et la station de base 5G (en-gNb) appelée station de base secondaire SNB.

Un téléphone UE, compatible 5G, en mode de veille, s’accroche sur une cellule 4G. Pour passer en mode connecté, le mobile fait une demande d’accès aléatoire avec la station de base eNB (cf. méhode d’accès aléatoire).

Dans cet article, nous supposons que la station de base 4G dispose des capacités à mettre en œuvre la double connectivité EN-DC pour une session DATA IP (hors appel VoIP).

Lorsque le mobile faite une requête de service (message NAS Service Request), la station de base 4G transfère la requête de service du mobile à l’entité MME en vue du ré-établissement d’un bearer IP. Ensuite (cf. Double Connectivité), la station de base 4G déclenche la double connectivité entre la station de base 5G et le mobile. A partir de ce moment, le mobile fait une demande d’accès aléatoire avec la station de base 5G (en-gNB) afin de pouvoir échanger des données sur la cellule 5G (cf. Acces aléatoire)

La question est donc de savoir à quel moment le logo 5G s’affiche sur mon téléphone, et est-il possible d’avoir le logo 5G sans pouvoir recevoir la 5G ?

  1. Le logo 5G

II-1) Comment le mobile sait que la station de base 4G peut mettre en œuvre la Double Connectivité ?

L’échange de données 5G s’établit à partir du moment où la double connexion est mise en œuvre, donc lorsque le mobile est en mode connecté.

Toutefois, on peut observer le logo 5G sur son téléphone lorsque celui-ci est en mode de veille (aucune session IP). Par conséquent, le mobile est accroché à une station de base 4G maîtresse sur laquelle la double connectivité EN-DC peut être mise en œuvre. La station de base 4G transmet cette information par un message RRC à travers le système d’information SIB2 et plus particulièrement par le paramètre ULI – Upper Layer Indication positionné à la valeur vrai ‘true’.

Figure 1 : Information ULI portée par le SIB2 [1]

II-2) Est-il possible d’avoir le logo 5G sans pouvoir recevoir la 5G

Initialement, la bande de fréquence d’ancrage de la station de base maîtresse eNB pour la 5G-NSA était la fréquence de 700 MHz. Actuellement les autres bandes 4G (800 MHz, 1800 MHz, 2100 MHz ou 2600 MHz) peuvent également être des bandes d’ancrages pour le déclenchement de la double connectivité EN-DC. Quel que soit la fréquence de la bande d’ancrage, on constate que la fréquence 4G est toujours plus basse que la fréquence 5G, laquelle est située à 3,5 GHz. L’atténuation de l’onde étant fonction de la fréquence, la couverture 5G est plus faible que la couverture 4G dans les mêmes conditions radio.

Figure 2 : Couverture 4G et 5G dans les mêmes conditions radios

Un mobile hors bande 5G reçoit toujours les informations diffusées par la station de base 4G et par conséquent peut afficher le logo 5G sans être sous la couverture de la station de base en-gNB. On parle de configuration D du mobile, lorsque le mobile affiche le logo 5G sous la couverture de la station de base maitresse 4G sans détecter le bloc de signal SSB (synchronisation/diffusion) de la station de base 5G.

Dans les fait, pour des sites co-localisé, la couverture 5G est identique à la couverture 4G : les ingénieurs radio des opérateurs mobiles tiltent les antennes 4G de manière à avoir la même couverture. Dans ce cas, nous ne sommes plus dans les mêmes conditions radio.

Par conséquent, le mobile peut donc afficher le logo 5G même s’il est en veille sur la cellule 4G. Evidemment, un terminal mobile non compatible 5G n’affichera pas le logo 5G puisqu’il ignore l’information ULI porté par le SIB2.

Dans le cadre classique d’attachement, voici le call flow correspondant pour un abonné qui a souscrit à l’offre 5G :

Figure 3 : Procédure d’attachement 5G-NSA Call flow avec un abonnement 5G [3]

  1. Le terminal fait une demande d’attachement (ou de mise à jour de sa localisation) avec le bit DCNR à 1 indiquant au cœur de réseau qu’il est compatible 5G-NSA
  2. L’entité MME met en œuvre :
    1. La procédure d’authentification du mobile avec le serveur HSS (cf. )
    2. La mise en sécurité de l’interface NAS (cf.)
    3. La mise en sécurité de l’interface AS (cf.)
  3. L’entité MME informe le serveur HSS qu’il est le serveur d’enregistrement de l’abonné.
  4. Le serveur HSS met à jour sa table de correspondance IMSI/MME et transmet au MME le type d’abonnement de l’abonné avec des valeurs AMBR maximales (AVPs « Extended-Max-Requested-BW-UL » and « Extended-Max-Requested-BW-DL »: 4 294 967 295 bps)
  5. L’entité MME procède à l’établissement des bearer par défaut
  6. L’entité PGW reçoit une demande d’établissement de tunnel avec une demande de débit AMBR élevé. Le PGW interroge l’entité PCRF (message DIAMETER Credit Control CCR-I) avec les valeurs AMBR reçues par le MME.
  7. L’entité PCRF transmet au PGW les caractéristiques de QoS du bearer afin d’établir que l’entité PGW puisse établir sa table d’acheminement.
  8. Le PGW transmet les caractéristiques du bearer et l’@IP du mobile au SGW lequel transfère l’information au MME (Le document [3], le SGW et le PGW sont sur la même entité S/PGW et le SGW n’apparait pas. De plus, la flèche est dans le moment sens sur ce document).
  9. L’entité MME transmet la valeur maximale autorisée UE-AMBR au mobile (10 Gbps) si l’abonne à les droits d’accès 5G. Dans le cas contraire, l’entité MME informe la station de base de la restriction d’accès NR (« RestrictDCNR » bit to « Use of dual connectivity with NR is restricted »)
  10. La station de base eNB transmet la réponse Initial Context Setup à destination du MME permettant de définir les caractéristiques du bearer radio RAB.
  11. La station de base eNB transmet au MME la réponse de l’UE validant l’attachement et l’établissement du bearer par défaut.

Lors de la procédure d’attachement (figure 3), l’entité MME supporte les fonctionnalités suivantes pour la 5G-NSA :

  • Procédure de modification E-RAB

Dans le cas de la 5G-NSA option 3X, l’option SCG (Secondary Cell Group) est activée pour supporter la double connectivité DCNR sur la gNB. La procédure de modification E-RAB permt à l’eNB peut commuter le bearer radio vers la station de base 5G sans modification du tunnel de signalisation S1-MME.

  • Sélection du SGW/PGW

Lorsque le serveur HSS accepte l’option 5G-NSA, le serveur DNS fourni au MME les informations de sélection des entités SGW/PGW pour la mise en œuvre de la double connectivité :

  1. x-3gpp-sgw:x-s5-gtp+nc-nr
  2. x-3gpp-pgw:x-s5-gtp+nc-nr

Mais qu’en est-il si le terminal est compatible 5G, alors que le client n’a pas souscrit à l’offre 5G ?

II-3) Le client n’a pas souscrit à l’offre 5G

Lorsque le mobile s’attache, il émet la requête NAS ATTACH REQUEST à la station de base 4G eNB. Cette requête est relayée par l’eNB vers le MME. Au cours de cette demande d’attachement, le terminal informe le MME qu’il est compatible 5G-NSA à travers le bit d’information nommé DCNR (dual connectivity with NR supported). Le MME interroge le serveur HSS pour l’authentification de l’abonné (cf Attachement et sécurité ).

Une fois l’abonné authentifié, le HSS conserve l’identité du MME sur lequel le mobile est attaché. L’entité MME envoie la requête DIAMETER ULA Update Location Answer en indiquant que le mobile est compatible 5G-NSA et le HSS répond au MME par la requête Update Location Request ULR que la 5G-NSA ne fait pas partie du forfait de l’utilisateur (« Access-Restriction » avec comme précision « NR as Secondary RAT Not Allowed »). Ainsi, le MME va informer la station de base de la restriction de la double connectivité par le message RestrictDCNR=1 (Use of dual connectivity with NR is restricted » in the EPS network feature support IE), ce qui va de plus interdire le mobile de faire des mesures 5G (évènements B1 et B2).

Lorsque le mobile fait un changement de MME (par la requête TAU – Tracking Area Update par exemple), les messages ULR/ULA seront échangés entre le serveur HSS et la nouvelle entité MME. Si le client change de forfait et que le mobile est attaché, alors le serveur HSS met à jour les informations auprès du MME par le message DIAMETER IDR/IDA (Insert-Subscription-Data-Request/Answer).

Pour plus de détail, reprenons la spécification 3GPP:

« If the RestrictDCNR bit is set to “Use of dual connectivity with NR is restricted” in the EPS network feature support IE of the Attach Accept/Tracking Area Update Accept message, the UE provides the indication that dual connectivity with NR is restricted to the upper layers.”

Figure 4 : Procédure d’attachement 5G-NSA Call flow sans abonnement 5G[4]

Si le terminal est compatible 5G mais l’abonne n’a pas souscrit à l’offre 5G alors le terminal n’est pas supposé fonctionner en 5G. Toutefois, je n’ai pas personnellement fait le test, on peut lire dans des forums une procédure pour contourner l’attachement en forçant dans un premier temps l’attachement sur le réseau 3G et ainsi ne pas transmettre la restriction DC puis de lever ce forçage pour que le mobile sélectionne une station de base 5G.

  1. 4G attach in any MME
  2. put the phone in 3G: Preferred Network Type : Prefer 3G
  3. change Preferred Network Type : Prefer 5G. (Most likely the MME takes the profile from 3G SGSN and it doesn’t get any 5G restriction from there since the SGSN doesn’t know what 5G is. The 5G restriction is set in HSS.)
  4. Enjoy 5G.

Cette procédure semble fonctionner sur un cœur de réseau Huawei (l’auteur du blog étant situé en roumanie : https://volteromania.blogspot.com/p/5gproblem.html)

  1. Conclusion

Pour pouvoir afficher le logo 5G, il est déjà nécessaire d’avoir un smartphone compatible 5G et un abonnement 5G.

L’alliance GSMA proposé 4 configurations :

  • Configuration D : le mobile est en mode de veille sous la couverture d’une station de base 4G eNB qui diffuse l’information UpperLayerIndication=true dans le SIB2.
  • Configuration C : Le mobile est en mode connecté avec une station de base 4G et la station de base 4G configure l’interface radio du mobile pour faire des mesures 5G (SS-RSRP).
  • Configuration B : Le mobile est attaché sur une station de base 4G qui diffuse l’information UpperLayerIndication=true dans le SIB2 et le mobile mesure en plus la présence d’une station de base 5G (SS-RSRP)
  • Configuration A : Le mobile est connecté en double connectivité sur la station de base 4G et 5G.

 

Biblio

[1] TS 36.311 Radio Resource Control (RRC); Protocol specification (3GPP TS 36.331 version 15.3.0 Release 15) – ASN1 SystemInformationBlockType2 information element

[2] TS 29.272 V15.5.0 (2018-09) – Evolved Packet System (EPS); Mobility Management Entity (MME) and Serving GPRS Support Node (SGSN) related interfaces based on Diameter protocol

[3] https://www.cisco.com/c/en/us/td/docs/wireless/asr_5000/21-16_6-10/5G-NSA/21-16-5G-NSA-Solution-Guide/21-16-5G-NSA-Solution-Guide_chapter_010.html

[4] https://www.telecomhall.net/t/ue-restrictdcnr-use-of-dual-connectivity-with-nr-is-restricted/10352/20

Etablissement de la connexion radio – Partie 2 : Les ressources et l’identifiant aléatoire

Avant d’émettre sa demande d’accès aléatoire, le terminal doit récupérer un ensemble d’informations transmises par la station de base via le message SIB2 :

  • la configuration du PRACH (prach-ConfigIndex) ;
  • le jeu des préambules d’accès aléatoires disponibles (la racine q et les décalages de la séquence, se référer à la partie 1) ;
  • la fenêtre temporelle pour la réponse (ra-ResponseWindowsSize) ;
  • la puissance d’émission du préambule initial (preambleInitialRecievedTargetPower) ;
  • le facteur de rampe de puissance (powerRampingStep) ;
  • en cas de non réponse, le nombre maximum de préambules pouvant être émis (preambleTransMax) ;
  • le temporisateur de résolution de contention (mac-ContentionResolutionTimer)

Figure 1 : Extrait des informations du SIB2

A partir de :

  • l’information msg1-FrequencyStart, le terminal UE calcule la position fréquentielle de la localisation du canal PRACH ;
  • l’information msg1-FDM, le terminal connait le nombre d’occasion PRACH dans le domaine fréquentiel

A titre d’exemple :

Dans la bande FR2 :

Figure 2 : La configuration de l’accès aléatoire selon la table 38.211 v15.5-Table 6.3.3.2-4

Les numéros de slot de référence sont le 19 et le 29, nous allons maintenant calculer la position du slot du RACH à partir de la référence du slot 19 :

N°slot_RACH=Starting_symbol + Numero_occassion_PRACH*Durée_PRACH+Nbre_symboles_par_slot*numero_du_slot

Avec :

  • Starting_symbol est une valeur indiquée dans le tableau, la valeur est à 7
  • Numero_occassion_PRACH correspond aux occasions du RA. L’indice démarre à 0 jusqu’à Number_of_time_domain_occasion – 1. La valeur vaut 0
  • Nbre_symboles_par_slot est de 14
  • Numero_du_slot se calcule par la formule suivante :
    • Si SCS = {1,25 kHz, 5 kHz, 15 kHz, 60 kHz} alors Numero_du_slot=1
    • Si SCS = {30 kHz, 60 kHz} et
      • si le nombre de slot RACH par sous-trame =1 alors Numero_du_slot=1
      • sinon Numero_du_slot={0,1}

Dans notre exemple, le symbole sur lequel démarre le canal PRACH est à la position : 7+0*6+14*1=21 par rapport au slot 19. Il se situe donc à la position du symbole 7 du slot 20

Figure 3 : Exemple de transmission du PRACH (FR2, format A3)

Une fois le préambule sélectionné, le terminal UE détermine la prochaine occasion pour envoyer sa demande. La puissance d’émission est estimée à partir des paramètres reçus par le SIB2 et en augmentant la puissance à chaque retransmission.

La demande d’accès est contrôlée par la station de base en indiquant par le message SIB2 les occasions du canal PRACH dans le domaine temporel et fréquentiel.

Ressources Temporelles (prach-ConfigurationIndex)

La référence temporelle est la durée d’une trame, soit 10 ms. La transmission du canal PRACH au cours de la trame est définie par les paramètres suivants :

  • PRACH configuration period : Le numéro de trame SFN utilisé pour transmettre le canal PRACH est défini par la condition suivante : x mod SFN = y.
    • A titre d’exemple x=16, alors les occasions du canal PRACH sont espacées de 160 ms
    • Si x=16, y=1, alors les numéros de trames portant le canal PRACH sont définis par le numéro de trame SFN 1,17,33,49,…
  • SubFrame Number : Indique le ou les sous-trames dans la trames qui transportent le canal PRACH
  • Slots with PRACH : La référence est un espacement entre sous-porteuses (SCS) de 60 kHz, pour laquelle on a 4 slots par sous trames soit 40 slots par trame. Le nombre d’occasion est donc de 40 lorsque l’espacement entre sous-porteuses est de 60 kHz ou 40*2 slots pour un espacement entre porteuses de 120 kHz.

Ressources Fréquentielles

  • msg1-FrequencyStart : Indique la première ressource PRACH
  • msg1-FDM : Indique le nombre de ressources fréquentielles pour le PRACH (1,2, 4 ou 8)

A partir de ces valeurs, le numéro de la sous-trame et l’index de fréquence utilisé par le terminal pour transmettre sa demande d’accès aléatoire permet de calculer l’identifiant radio RA-RNTI :

RA-RNTI= 1 + s_id + 14 × t_id + 14 × 80 × f_id + 14 × 80 × 8 × ul_carrier_id

  • s_id : Index du premier symbole OFDM (entre 0 et 13)
  • t_id : Index du premier slot dans la trame (entre 0 et 79)
  • f_id : Index dans le domaine fréquentiel (entre 0 et 7)
  • ul_carrier_id est égal à 1 si la demande est faite dans la bande SUL, 0 sinon

Cette valeur sera utilisée par l’entité gNB pour répondre au terminal : le terminal écoute le canal PDCCH émis par l’entité gNb et recherche la réponse pour laquelle le code détecteur d’erreur CRC est mélangée par l’identifiant RA_RNTI (ou exclusif).

En fin de transmission, le terminal UE écoute (sur une durée définie) la réponse de l’entité gNB laquelle contient le numéro de référence RA-RNTI.

Références

3GPP 38.211

https://www.sharetechnote.com/html/5G/5G_RACH.html

Etablissement de la connexion radio – Partie 1 : Les séquences aléatoires

La connexion radio s’effectue par un échange de signalisation entre le terminal UE et la station de base gNB.

La première étape, nommée Accès Initial (Initial Access) permet au terminal de se manifester auprès de la station de base en transmettant un préambule (procédure d’accès aléatoire ou RACH). En retour, le terminal se synchronise en Uplink avec la station de base et récupère un identifiant radio.

  • La séquence aléatoire RA

La procédure d’accès aléatoire est destinée à résoudre les possibles collisions si deux ou plusieurs terminaux souhaitent établir simultanément une connexion radio. Les étapes de la connexion radio sont :

1 – Le terminal UE émet un préambule dans le canal d’accès aléatoire PRACH

A l’instar de la 4G, le préambule est une séquence de Zadoff-Chu. La séquence est définie de la manière suivante :

N est la longueur de la séquence, N est un nombre premier. La séquence est nommée séquence d’accès aléatoire ou RA (Random Access),  z indice n exposant u représente la n-ième bit de la séquence de Zadoff-chu de racine u.

La u-ième racine est obtenue à partir de l’index de la séquence i transmis par la variable rootsequenceIndex.

Table 1 : Le numéro de séquence en fonction de i

Le numéro de séquence logique est porté par le SIB 2 rootsequenceIndex. A titre d’exemple, si l’on se réfère au tableau, ‘rootsequenceIndex = 22’ correspond à u=1 :

Table 2 : Correspondance entre i et u

Le signal émis est la transformée de Fourier sur N sous-porteuses dont l’amplitude de la n-ième sous porteuse est définie par la séquence de Zadoff-Chu (se référer à l’équation ci-dessus).

Pour la 5G, N prend pour valeur 139 ou 839. Si l’espacement entre sous-porteuses est de 1,25 kHz, le signal est émis respectivement sur une largeur de bande de 173,5 kHz ou 1048,8 kHz.

Figure 1 : Synoptique de transmission

La séquence de Zadoff-Chu possède des propriétés suivantes :

  • signal d’amplitude constante ;
  • bonne propriété d’autocorrélation permettant à la station de base de détecter une séquence par un pic sur la séquence d’’autocorrélation ;

la puissance d’intercorrélation entre deux séquence de Zadoff (q1 et q2 différents) est égale à 1/N.

La figure 1 représente l’autocorrélation de la séquence de Zadoff-Chu de 139 bits (25ème racine)

A partir de la connaissance de q et de N, les préambules émis est une séquence aléatoire avec un décalage cyclique  C possible est :

Figure 2 : Autocorrélation d’une séquence de Zadoff-Chu de longueur 139

Le canal physique PRACH transporte la séquence aléatoire RA précédée d’un préfixe cyclique et suivi d’un temps de garde.

Figure 3 : Le canal PRACH

On nomme TSEQ la durée de la séquence avec le préfixe cyclique, et TTG la durée du temps de garde. Soit τd l’étalement temporel du canal (le délai de propagation du canal dû aux multitrajets, s’exprime ne µS) et R le rayon de la cellule couverte par la station de base, alors :

A partir de ncs, on peut déterminer le nombre de séquences aléatoires possible à partir d’une séquence de Zadoff-Chu et vaut M/ncs.

A titre d’exemple, si M=839 et ncs=11 alors une séquence génère 76 RA différents.

En général, une cellule dispose de 64 codes RA, toutefois, 14 codes sont réservés pour la demande d’établissement radio lors d’un handover, c’est-à-dire sans contention, contention free et 50 pour la demande d’accès aléatoire avec contention.

La taille de la cellule permettant un accès initial se calcule à partir de la durée du temps de garde. La durée d’un slot est de 1 ms. La durée du préfixe cyclique permet de compenser l’étalement temporel du canal.  Par exemple, je fixe TCP=103.13 µs. Supposons une séquence aléatoire TSEQ=800µs. La durée  de la séquence dépend à la fois de la taille du message aléatoire (139 ou 839 bits) et de l’espacement entre porteuse. La durée du temps de garde TGP=1000-103.13-800=96.87 µs.

Figure 4 : Le format 0 du canal PRACH

Le temps de garde correspond au temps autorisé pour faire une transmission aller-retour : le mobile est synchronisé sur le lien descendant par la séquence de synchronisation de la station de base. Il reçoit le signal avec un retard qui dépend de la distance. La distance parcourue entre la station de base et le terminal est : d = c. t avec t le temps que met l’onde pour se propager de la station de base vers le terminal.

Si la séquence est de 800 µs, la célérité de la lumière est de 3.108 m/s soit 0.3 km/µs alors : d=0.3*96.87/2=14.5 km

  • Le format PRACH

La 5G supporte 13 formats différents, définit en fonction

  • de la longueur de la séquence RA ;
  • de l’espacement entre sous-porteuse : SCS=1.25 kHz ou SCS=15 kHz ;
  • de la longueur de la durée du préfixe cyclique ;
  • de la longueur de la séquence ;
  • du nombre de répétition.
  1. a) Les formats long : Formats 0, 1, 2 et 3

les formats longs ne sont utilisés que dans la bande FR1. Les formats 0 et 1 sont similaires aux formats 4G (préambule long format 0 et format 2). Les caractéristiques sont :

  • la longueur de la séance est de 839 bits ;
  • l’espacement de la sous-porteuse est de 1.25 kHz pour les formats 0,1,2 et 15 kHz pour le format 3. Dans ce cas, 6 RB sont utilisés dans le premier cas et 24 RB dans le second cas ;
  • Le facteur 1, 2 et 4 pour Nu correspond au nombre de répétitions.

Table 3 : Les formats PRACH 0 à 3 pour la 5G*

K est le facteur d’échantillonnage k=Ts/Tc avec la fréquence d’échantillonnage Fs=30.72 MHz et Tc=1/(SCS_max.Nfft). Pour l’interface radio 5G-NR l’espacement SCS maximal est de 480 kHz et le nombre d’entrée FFT est de 4096.

Fc=1.966080 GHz (1966080 kHz)

Format 0 :

CP length(Tcp) = 3168*k échantillons = 3168*64 *Tc sec = 3168*Ts ms = 3168/30720 = .1031 ms
sequence length (Tseq) = 24576*k échantillons = 24576*64*Tc= 24576/30720 =.800 ms

Format 1 :

CP length(Tcp) = 21024/30720 = .6844 ms
sequence length (Tseq) = 2*24576*k échantillons =1.6 ms

Format 2 :

CP length(Tcp) = 21024/30720 = .6844 ms
sequence length (Tseq) = 2*24576*k échantillons =1.6 ms

Format 3 :

CP length(Tcp) = = 3168/30720 = .1031

sequence length (Tseq) = 4*6144*k échantillons =0.8 ms

a) Les formats courts : Formats A1, A2, A3, A4, B1, B2, B3, B4, C0, C2

Les formats cours sont constitués de 139 bits, et l’espacement entre porteuses dépend de la numérologie (15 kHz ou 30 kHz pour la bande FR1 et 60 kHz ou 120 kHz dans la bande FR2).

Table 4 : Les formats PRACH court pour la 5G

Exemple du format A1 :

CP length(Tcp) = 288*k *(2^-μ) samples = 288*64 *1 samples =288/30720 = .009381 ms

sequence length (Tseq) = 2*2048*k*(2^-μ) samples = 2*2048*64 samples =(2*2048*/30720) ms = .1334 ms

Figure 5 : Le format A1 du canal PRACH

Figure 6 : Les formats du canal PRACH

Référence :